CC BY
20
УДК 631.617
ОЦЕНКА ЗАСОЛЕНИЯ ПОЧВ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ДЕЛЬТЫ НИЛА (ЕГИПЕТ) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Е.С. Мохамед (Египет), Е.Г. Моргун, Б.С. Гома (Египет)
В ходе полевых исследований проведена оценка уровня засоления почв и грунтовых вод, использованы данные дистанционных методов (Ьапё8а1 ЕТМ). Результаты показали высокую степень корреляции между данными по полосе 3 ЕТМ+ и солевыми аккумуляциями на поверхности почвы. На основании сравнения картографических данных, полученных путем интерполяции, и полевых экспериментальных определена значимая корреляция (г2 > 0,65). Также обнаружена положительная корреляция (г2 = 0,84) между содержанием солей на поверхности почвы и глубиной грунтовых вод, залегающих до 70 см. Аккумуляция солей в почвах, близкое залегание грунтовых вод и неудовлетворительный дренаж являются основными причинами засоления изучаемых земель.
Ключевые слова: засоление почв, дистанционное зондирование, ГИС (географическая информационная система).
Введение
Засолению почв в мире подвержено более 76 млн га [5]. Наличие водорастворимых солей в большинстве почв является результатом природного почвообразования, в то время как высокая интенсивность этого процесса на сельскохозяйственных площадях в основном связана с деятельностью человека. Происхождение солей определяется географическим расположением природных источников засоления, а на сельскохозяйственных территориях — технологией оросительных мелиораций [10].
Последние два десятилетия увеличение засоленности почв и грунтовых вод — основная проблема землепользования в Египте — является результатом уменьшения промывки почв водами Нила в связи с отсутствием разлива реки. Усилению засоления способствует введение круглогодичного орошения без соответствующего дренажа, приведшее к тому, что соли не вымываются и во многих местах концентрируются в корнеобитаемой зоне в количестве, токсичном для растений [8]. Наличие и распространение засоления почв, подавляя рост многих культур, представляет собой высокую экологическую опасность. Этот процесс развивается в аридных и семиаридных регионах, снижая сельскохозяйственную продуктивность [6]. Совместное использование дистанционного зондирования, географической информационной системы и пространственного статистического анализа предоставляет весьма полезный инструмент для оценки и мониторинга мелиоративного состояния земель [7]. Известен пример использования данных Landsat MSS и TM для детального картирования и мониторинга засоленных почв при составлении почвенной карты Индии [4]. M. de Dapper и R. Goossens [3] использовали возможности ГИС и дистанционного зондирования для мониторинга и прогноза засоления почв в рай-
оне рукавов дельты Нила. L.J. Northrop [9] показал, что информация, получаемая со спутников Landsat, в сочетании с широким набором данных наземных наблюдений может использоваться для выяснения характера засоления. Однако он полагал, что этот подход имеет ограничения, заключающиеся в точности пространственного и спектрального разрешений сенсора MSS. В последнее время используется модифицированный пошаговый метод главных компонент [2], с помощью которого производится оценка эффективности индивидуальных полос при различении состояний засоленности исходя из площадных спектров высокого разрешения в узкой (10 нм) полосе абсорбции в пределах 495—539 нм.
Материалы и методы исследования
Изученная территория расположена к западу от Суэцкого канала и включает северную часть губернаторства Исмаилия и южную часть губернаторства Порт Саид (в пределах 32°05'00"—32°20'02" в.д. и 30°42'15''—31°05'00'' с.ш.). Здесь преобладают два геоморфологических элемента: флювиоморские равнины и речные террасы. Максимальная абсолютная высота местности составляет 20, минимальная — 0,5 м над ур. моря. В регионе превалируют аридные условия с максимальной температурой 36,1° в июле и минимальной 7,8° в январе. Среднегодовая температура составляет 21,5° с большим различием между зимними и летними месяцами. Среднегодовые осадки — 73,3 мм с уменьшением до 33,3 мм на юге. Изображения территории со спутника Landsat ETM+ были получены в августе 2009 г. Они были преобразованы в универсальную трансверсаль-ную проекцию Меркатора (UTM) (зона 36). Геометрическую коррекцию спутникового изображения проводили с использованием наземных контрольных точек.
Чтобы избежать радиометрических ошибок или искажений, атмосферную коррекцию осуществляли с помощью программы Flaash Model ENVI 4.7. Полосы изображения спутника Landsat сопоставляли c точками отбора почвенных образцов и аналитическими данными путем составления таблицы свойств. Информация о полосах в ней была проанализирована с использованием программы SPSS. В системе информации ETM+ для солевых пятен, целинных и городских территорий, сельскохозяйственных площадей, песчаных и водных пространств сравнивались отражения полос 1—5 и 7. Были отобраны 170 поверхностных образцов почв с глубины 0—5 см. Их положение фиксировали с помощью GPS. Затем были заложены 80 почвенных разрезов, представляющих различные почвенные ареалы и вскрывающих грунтовые воды в пределах двух метров. Для получения информации о глубокозалегающих грунтовых водах дополнительно использовали карту грунтовых вод восточной дельты [1]. Цель морфологических описаний и анализа почвенных образцов — получение информации о некоторых химических и физико-химических свойствах почв. Интерполяция засоления почв (оценочные значения) была выполнена с использованием метода обычного кригинга по данным о солесодержании 150 образцов. Проверку достоверности карты засоленных почв проводили на 20 образцах, произвольно выбранных из 170, проверку прогнозной глубины грунтовых вод — на 10 образцах из 80. Ошибку определяли по формуле: ошибка = фактическое значение — оценочное значение.
Для сравнения точности методов интерполяции был использован критерий Стьюдента, который применяется к расчетным значениям, полученным различными методами.
Результаты и обсуждение
Основные характеристики отражений. Полученные результаты свидетельствуют о том, что третья полоса спутника «Тематический картограф» (ETM+) имеет наиболее интенсивное спектральное отражение по сравнению с другими (рис. 1, а). Песчаные территории характеризуются наибольшими спектральными отражениями во всех полосах, городские территории имеют такие же отражения, как и поверхности с солевыми выцветами (рис. 1, б). Это может быть связано с тем, что сельская и городская инфраструктуры имеют глинистые или цементные крыши, схожие по отражению с голой поверхностью засоленных участков земли. Для преодоления трудностей различения этих двух объектов можно использовать топографические карты с информацией о расположении и границах городских территорий и исключить их из дальнейшего процесса расчетов. Другая возможность — использование комбинации полос 7, 5, 3, которые для засоленных территорий дают максимальные отражения (рис. 1, а).
Эта же комбинация позволяет идентифицировать и другие территории — водные поверхности (черный или темно-синий цвет), растительность (затененный и иногда светло-зеленый). Почвы и пески в данной комбинации полос демонстрируют разные цвета, что связано или с различным содержанием солей, или обводненностью.
Рис. 1. Полосы отражение спутника «Тематический картограф» (ЕТМ+) (А) и полоса 3 отражения этого спутника (Б): 1 — городские терртории; 2 — территории, не используемые в сельском хозяйстве; 3 — сельскохозяйственные территории; 4 — засоленные территории; 5 — песчаные территории; 6 — водные поверхности
Рис. 2. Распределение засоленности территории, дСм/м (А) и глубина залегания грунтовых вод, см (Б)
(На основании данных интерполяции.)
Характеристики засоления почв. Визуальная интерпретация спутникового изображения была получена 17 июля 2009 г. Характеристику засоления определяли с помощью анализа комбинации отражений полос 7, 5, 3. В ходе полевого обследования поверхностного солевого горизонта (0—5 см) обнаружено, что наличие солей связано с грунтовыми водами. Это указывает на действующий процесс вторичного засоления территории. Интерпретация изображения позволяет определить степень проявления солевых выцветов на поверхности целинных почв.
По солесодержанию в 170 отобранных образцах и на основании данных по случайным 150 точкам была составлена карта засоления путем интерполяции с использованием процедуры обычного кригинга (рис. 2, а). Установлено, что прогнозная засоленность изменялась в широком интервале 0,11—105 дСм/м. Анализ корреляции данных, полученных с помощью интерполяции, с фактическими по 20 образцам показал, что коэффициент корреляции (г2) > 0,65. Структура засоленности почвенного покрова представлена следующим образом: 20% изученной территории относится к сильно и экстремально засоленной (> 20 дСм/м), 30% имеет засоленность в пределах 13—20 дСм/м, на 40% территории распространены слабо засоленные почвы
с электропроводностью в пределах 3,6—13,4 дСм/м и 10% — ареал слабо засоленных почв с засоленностью <3,6 дСм/м.
Грунтовые воды. Степень увлажнения почв на исследуемой территории регулируется уровнем залегания грунтовых вод. Влажность почв идентифицировали путем анализа отражений полос 7, 5, 3 от темно-синего до синего, а также черного цвета. В ходе полевых исследований было проведено измерение уровня нахождения грунтовых вод в 80 точках. Сопоставление данных дистанционного зондирования с фактическими полевых наблюдений позволило составить карту глубин их залегания. Результаты
Рис. 3. Корреляция между засоленностью почв и уровнем грунтовых вод
показали, что уровень грунтовых вод колеблется в пределах 50—450 см. Примерно на 60% территории они залегают близко к поверхности — около 95 см, на 20% — от 95 до 160 и на такой же площади грунтовые воды расположены глубже 160 см (рис. 2, б). Для оценки точности интерполяции использовали 10 точек. Корреляция (г2) данных о глубинах залегания грунтовых вод, полученных путем интерполяции и фактически измеренных, составила > 0,80. Для случаев залегания менее 70 см была найдена положительная корреляция между засоленностью почв и глубиной грунтовых вод (г2 = = 0,84) (рис. 3). Таким образом, начиная с этой глубины грунтовые воды оказывают непосредственное влияние на засоленность поверхностных горизонтов почвы путем испарения капиллярных растворов при наличии высокого засоления и высокой испаряемости.
Выводы
Методы геоинфомационной технологии (дистанционное зондирование и географическая информационная система) играют важную и уникальную роль в инвентаризации и мониторинге засоленных территорий. Наши результаты показали, что существует достоверная корреляция между 3-й полосой отражения спутника «Тематический картограф» (ЕТМ+) и степенью засоления почв. Обнаружена также положительная корреляция (г2 = 0,84) между засоленностью почв и глубиной грунтовых вод (при расположении последних не глубже 70 см). Путем комплексного использования данных дистанционного зондирования и данных наземных наблюдений составлены почвенная карта, карта засоления почв и карта глубины залегания грунтовых вод.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Afify H.F. Studies on water resources and pollution in some areas of the suez canal province. Egypt, 2000.
2. Csillag F, Biel L.L. Spectral band selection for the characterization of salinity status of soil // Remote sensing environment, 1993. Vol. 43.
3. Dapper de M, Goossens R. Modeling and monitoring of soil salinity and water logging hazards in the Desert-Delta fringes of Egypt based on Geomorphology. Remote Sensing and GIS. Ghent, 1996.
4. Dwivedi R.S. Monitoring and the study of the effect of image scale on delineation of salt affected soils in the Indo-Gangentic plains // Internat. J. Remote Sensing. 1992. Vol. 13.
5. Eger H, Fleischhauer E, Hebel A., Sombroek W. Taking action for sustainable land use // Results from the 9th ISCO Conference in Bonn. 1996.
6. FAO. The land Resource Base. Room: FAO (ARC/86/3). Roma, 1986.
7. Hillel D. Salinity management for sustainable irrigation: integrating science, environment and economics. Washington, 2000.
8. Kalkhan M.A., Stohlgren T.J., Chong G.W. et al. A predictive spatial model of plant diversity: integration of remotely sensed data, GIS and spatial statistics // Eighth Biennial Remote Sensing Application (Conference RS 2000). CD Paper 101. Albuqyerque, 2000.
9. Northrop L.J. Landsat detection of irrigation area salinity // Occasional paper series. 1982. N 4.
10. Zinck J. Alfred. Remote Sensing of Soil Salinization impact on Land Management. N.Y., 2009.
Поступила в редакцию 31.05.2010
ASSESSMENT OF SOIL SALINITY IN SOME AREAS EAST PART
OF NILE DELTA (EGYPT) USING GEOINFORMATION TECHNIQUES
E.S. Mohamed (Egypt), E.G. Morgun, S.M. Goma Bothina (Egypt)
The major problem in the soils of Egypt in the last two decades has been referred to the rising of soil salinity, this work presents data up to date about it, mapping, evaluating and monitoring of soil salinity can be conducted. High water tables also are common problem in intensive irrigation area that led to the development of salinity problems. Results showed high correlation between ETM+ band 3 and salt efflorescence. The ground values have good correlation (r2 > 0,65) with estimated values. Results also showed a positive correlation (r2 = 0,84) between the concentration of salt on the surface and depth of water table less than 70 cm. In the study area, salt accumulation, groundwater and inadequate drainage conditions are the major causes of the land salinization.
Key words: soil salinity, remote sensing and GIS.
Сведения об авторах. Мохамед Елсайед Сайд, аспирант каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ. Тел.: (495)939-27-40. Моргун Евгений Георгиевич, канд. биол. наук, доцент каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ. Тел.: (495)939-27-40. Гома Ботхина Саад, аспирант аграрного ф-та РУДН.
